水稻植質缽育秧盤成型機的設計

王宏軒,于珍珍,李海亮,孫海天,汪 春,

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所,廣東 湛江 524000)

0 引言

水稻育秧是水稻移栽技術的關鍵環節,穴盤是水稻育秧的載體,對水稻秧苗的生長質量有著直接的影響。傳統的水稻穴盤是由塑料或樹脂材料,經由吸塑或注塑成型工藝生產而成,雖然可以實現穴育種植,卻無法與現有插秧機有效地配套使用。因此,研究水稻穴盤的成型技術至關重要。

農作物秸稈中含有大量的纖維素、蛋白質和豐富的微量元素等許多可被利用的成分,且是一種可以開發利用的可再生生物質。我國農作物秸稈具有產量大、種類多、分布廣等特點。據不完全統計,我國每年糧食秸稈總產量可達8億t以上,將近占全球的1/5,堪稱世界秸稈大國。水稻秸稈是一種寶貴的可再生生物質能源,目前對水稻秸稈的回收利用技術仍有待成熟。傳統秸稈成型機械加工秸稈的形狀簡單,一般僅僅局限于塊狀、棒狀等,對秸稈利用也有一定的局限性,探索新型的秸稈加工方法。

我國幾千年來一直直接將秸稈進行燃燒,用于做飯生火、喂養家畜等。新中國成立后,國家頒發了一些列政策,我國一些科研人員開始利用秸稈進行制作飼料、秸稈還田、秸稈氣化、氨化等技術,后來開始利用秸稈生產工業原料和生物菌飼料。20世紀末期,我國開始著手研究糧食秸稈成型工藝。我國數十所科研院校和工廠投入研究,開始了秸稈成型技術的推廣和應用,并研制適合我國國情的工業成型設備,經過多次改良,各方面技術都已經比較成熟,開始將秸稈的固化成型進行大批量生產。由于國內的秸稈成型技術不成熟,成型設備仍然存在很多問題,如成型設備簡單、性能差、技術水平低等。我國仍然屬于發展中國家,自主創新水平不高,再加上我國農村發展比較緩慢,農民更加重視的是經濟效益,環保意識比較差,秸稈回收不完全,大多數農戶為了方便還是會選擇直接焚燒,這是制約秸稈集中處理和進一步加工應用的主要因素。各地區發展不平衡,秸稈成型技術的推廣發展水平不高。河南、山東、河北、江蘇等地區發展比較快,這種技術在一些比較偏遠地區還沒有得到重視,部分省份甚至還沒有進行這種技術的試驗或者推廣。

我國在秸稈成型技術與配套設備仍處于起步階段。目前,我國比較常用的是熱壓成型、冷壓成型和濕壓成型3種。農作物秸稈中,玉米秸稈中糖分含量高,具有一定的粘性,比較容易成型加工,所以最初研究農作物秸稈成型的主要原料是針對玉米秸稈成型。近年來,我國科研學者開始對小麥、水稻等秸稈進行研究利用,并研制出相應的成型設備。

本文針對以水稻秸稈為原材料,基于氣吸式成型技術進行水稻植質缽育秧盤成型機的設計,并根據成型工藝要求,利用八工位轉鼓式穴盤成型機將漿池中的固體物質吸附成型,既實現了秸稈的高效利用,又實現了水稻營養穴盤的機械化生產。

1 總體構與工作原理

1.1 總體結構

為了實現要求的生產率并結合實際情況考慮,選用高轉速電動機,經過減速器減速并配合變頻器后能更好地滿足較低轉速的要求,且高精度高,在運行過程中負載變化影響小。另一方面,相同功率下高轉速電動機的造價低、尺寸小,可以保證高轉速性能且通過減速可以增大扭矩。由于齒輪傳動效率高,結構緊湊,工作可靠,傳動比較穩定,所以采用齒輪作為傳動裝置。為了完成穴盤的吸附和取模環節,要求吸模滾筒做間歇運動,常用的間歇機構有棘輪機構、槽輪機構、連桿機構和不完全齒輪機構,以槽輪機構最為常見。

水稻植質缽育秧盤成型機主要由傳動系統、成型系統及配氣系統組成,如圖1所示。

傳動系統主要包括偏心齒輪和槽輪機構,用于傳遞動力及中心軸的間歇運動;成型系統主要包括成型模具,成型模具分為凹型模具及凸形模具,用于穴盤形狀的定型;配氣系統主要包括真空泵及空氣泵。工作時模具在真空泵的作用下,氣腔內始終保持負壓,并通過通氣孔傳遞至模具,以此真空負壓產生的吸力將漿液中的固體物質吸附在模具表面。

1.2 工作原理

1)動力傳遞。電動機輸出的動力經過減速器之后,分成兩條路線傳送動力:一條路線是將動力經過偏心齒輪機構、槽輪機構,傳遞至吸模滾筒的中心軸,槽輪機構與吸模轉鼓的中心軸連接,使中心軸實現間歇運動,保證吸模和取模兩個動作有足夠的時間;另一條路線是經過連桿機構將動力傳輸到取模機構,保證每當吸模滾筒到達指定位置時,取模機構能夠到達與其對應的位置完成取模、卸模過程。

2)氣動控制。模具在真空泵的作用下,氣腔內始終保持負壓,并通過通氣孔傳遞至模板,以此真空負壓產生的吸力將漿液中的固體物質吸附在模板表面,定型穴盤形狀。

1.配氣管 2.外殼上 3.外殼右 4.槽輪 5.偏心齒輪 6.連桿 7.減速器 8.帶輪 9.電動機

2 主要工作部件的設計

2.1 傳動機構的設計

2.1.1 偏心齒輪的設計

采用傳動比為1:1的偏心齒輪作為傳動機構的主要目的是將齒輪所做的圓周運動轉為連桿機構的直線運動,來完成取模機構的取模動作。偏心齒輪如圖2所示。

選定m=8mm,z=35,則

r=mz/2=140mm

式中r—分度圓半徑(mm);

m—模數,蝸桿軸向模數,渦輪端面模數(mm);

z—齒數。

圖2 偏心齒輪三維圖

2.1.2 槽輪機構的設計

初步將轉輥設計成正多邊形轉輥,可選擇的有正六邊形、正八邊形和正十邊形。從實際情況考慮,正六邊形滾筒生產率低,若要提高生產率,必然要提高轉速,相應的功率也會增大,對電動機要求就高;正十邊形生產率高,但是對軸的負載相應地也會增加,功率消耗大。綜上所述,將轉輥設計成正八邊形。所以,槽輪槽數z=8,撥盤上圓銷數目m=1,根據實際情況將轉輥中心距設計為530～600mm,撥盤上圓銷半徑RT=22mm,銷與槽底間隙δ=3mm,槽齒寬b=33mm,槽輪每循環運動時間tf=3.4s,槽輪每循環停歇時間td=5.6s。槽輪機構如圖3所示。

圖3 槽輪機構三維圖

2.2 成型模具的設計

2.2.1 按剛度條件計算

圖4為矩形型腔工作時側壁受力情況。

圖4 模具受力分析圖

在熔體壓力作用下,側壁向外膨脹發生彎曲變形,使側壁與底之間出現間隙,間隙過大將發生溢料或影響塑件尺寸精度。將側壁每一邊都看成是受均勻載荷的端部固定梁,邊的最大撓度在梁的中間,其值為

應使δmax≤[δ],即

式中S—矩形型腔側壁厚度(mm);

P—型腔內熔體的壓力(MPa);

H1—承受熔體壓力的側高度(mm);

l—型腔側壁長邊長(mm);

E—鋼的彈性模量,取E=2.06×105MPa;

H—型腔側壁總高度(mm);

[δ]—允許形變量(mm)。

查表得,塑件尺寸在200～500mm范圍內,其3級精度的公差為0.50～1.10mm。因此,其剛度條件為[δ]=0.033～0.052。通過計算,S=57mm。

2.2.2 按強度條件計算

矩形型腔側壁每邊都受到拉應力和彎曲應力的聯合作用,將它可以看作一端固定梁計算,則梁的兩端彎曲應力σw的最大值為

由相鄰側壁受力所引起的拉力σb為

式中b—型腔側壁的短邊長(mm)。

總應力應小于模具材料的許用應力[σ],即

為了計算簡便,略去較小的σb,按強度條件型腔側壁計算公式為

計算可得:S≥17mm。

2.3 配氣系統的選擇

本配氣系統需要保證各個育秧模具中的氣壓值均勻統一,當模具轉動到取模位置時,模具與空氣壓縮泵聯通,消除氣腔內的負壓作用,以便取模器取放坯盤。該方式結構簡單、緊湊,不易發生擁堵,秧盤的脫模與取模是通過模具中氣室內的負壓決定的,壓力靠空氣壓縮泵調節。

空氣壓縮機是利用活塞在汽缸中的往復運動來壓縮空氣的。對于任何空壓機,不論大小一般都是由其他動力帶動曲軸箱內的曲軸轉動,曲軸通過連桿帶動活塞在氣缸內做往復運動。當活塞往下運動時,缸內容積變大,缸內氣壓變小,空氣由進氣管道被吸進了氣缸;當活塞向上運動時,進氣道關閉,缸內容積變小,空氣就由排氣道被壓縮到儲氣筒里。

空調壓縮機的工作回路中分蒸發區(低壓區)和冷凝區(高壓區),空調的室內機和室外機分別屬于低壓或高壓區(要看工作狀態而定)。制冷劑從高壓區流向低壓區,通過毛細管噴射到蒸發器中,壓力驟降,液態制冷劑立即變成氣態,通過散熱片吸收空氣中大量的熱量;空調壓縮機不斷工作,就持續地把低壓區一端的熱量吸收到制冷劑中,再送到高壓區散發到空氣中,起到調節氣溫的作用。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

供試水稻品種為富爾東農426,由齊齊哈爾市龍安橋鎮庫木現代農機合作社提供,水稻干粒質量25g,平均產量7 770kg/hm2,生育期140天左右,特點是有較好的耐寒性。

試驗在黑龍江八一農墾大學工程學院試驗基地進行。大慶市位于黑龍江省西部、松嫩平原中部,在北緯45°46′～46°55′,東經124°19′～125°12′之間,地處北溫帶大陸性季風氣候區,受蒙古內陸冷空氣和海洋暖流季風的影響,總的特點是冬季寒冷有雪、春秋季風多、全年無霜期較短、雨熱同季,有利于農作物和牧草生長。

水稻缽育栽培技術是目前寒區最先進的水稻栽培技術,與常規技術相比,缽育技術因提早育秧,可使苗齊、苗壯、不竄根、帶蘗移栽(四葉一心時帶1～2蘗)、移栽不傷根、無緩苗期,延長了有效生長期(15～20天),可顯著提高水稻產量和品質。

3.2 試驗結果

經濟效益評定,進行普通秧盤與水稻植質缽育秧盤主要生產成本及產量對比,如表1和表2所示。

表1 經濟效益分析

生產成本=秧盤成本+機具折舊-省種費用-稻草回收節約成本。

表2 與常規插秧技術主要品質對比

3.3 結果分析

采用水稻植質缽育具有一定的經濟效益和社會效益:

1)拉動相關產業快速發展,與本項目密切相關的機械加工、化工材料、生物技術等產業得到了較大的發展。

2)帶動了農民就業,在新增的植質缽盤生產、制造設備加工、插秧關鍵部件生產等產業中增加萬余人的就業崗位。

3)促進了農民的增收,通過本項目的實施,種植戶農民節約了大量的人力和生產投入,降低了生產成本,又大幅提高了水稻產量,實現增產增收。

4)改善了農村居住與生產環境。水稻秸稈回收利用,減少了秸稈對居住和生產環境的壓力,對新農村建設及和諧社會建設帶來積極的影響。

綜上表明,通過水稻植質缽育技術的推廣應用,減少了育秧土、生產用水及其他農業投入品的使用,大量降低了水資源開發、土壤改良和環境治理等成本,帶來了巨大的間接經濟效益和生態效益。

4 結論

1)利用理論分析確定傳動機構的設計方案,準確計算出各機構的主要工作參數,采用槽輪機構來控制滾筒的間歇運動,保證取模機構有足夠的取模時間。為了方便對成型機滾筒轉速進行調節,安裝一個變頻器進行全程調速;設計工作軸時,將空心軸與實心軸結合使用,采用焊接的方式進行連接,降低了整機質量,減少了工作負荷,在降低扭矩的同時保證強度條件符合要求。

2)雖然對傳統的秸稈成型方式進行了改進,但秸稈高效率利用問題還是有待解決,秸稈還不能完全取代不可再生資源,其價值還沒有得到充分的利用。機械化水平還有待于進一步提高,尤其是配套設備大批量生產時仍然需要勞動力進行輔助,且配套機器之間不能高效配合,這也是限制生產率提高的主要因素。